Neurowissenschaftliche Methoden

1. Neurowissenschaftliche Methoden • Es gibt verschiedene Techniken der neurobiologischen Forschung die erlauben dem „Gehirn beim Denken zuzusehen“. • Zwei davon werden wir morgen kennen lernen: • die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) • die Elektroenzephalographie (EEG).

2. MRT Das derzeit bekannteste nicht-invasive Verfahren zur bildlichen Darstellung des Gehirns ist die Magnetresonanztomographie (MRT), welche sowohl die Struktur (MRI) des Gehirns als auch seine Aktivität (fMRI) abbilden kann.

3. MRI Die Magnetresonanztomographie macht hochauflösende dreidimensionale Bilder von Gehirnstrukturen und ist besonders geeignet zur Darstellung und Vermessung struktureller Merkmale des Gehirns (wie z.B. Hirnvolumen, Vergleiche der Grösse verschiedener Hirnareale etc).

4. fMRI Die funktionelle Magnetresonanz kann mit ähnlich hoher räumlicher Auflösung die Gehirnaktivität messen. Grundlage für die Messung der Gehirnaktivität mit fMRI bildet das Sauerstoffgehalt des Bluts (BOLD-Signal).

5. fMRI BOLD Signal Wird ein bestimmtes Hirnareal durch kognitive Aufgaben aktiviert, kommt es zu einem gesteigerten Sauerstoffgebrauch in dieser Region: Am Ort der Aktivität werden die Blutgefässe erweitert und der Blutfluss und das Blutvolumen nimmt zu. Als Folge daraus findet man am Ort des Geschehens einen Anstieg des sauerstoffreichen Blutes (Oxyhemoglobin) und eine Abnahme des sauerstoffarmen Blutes (Desoxyhemoglobin). Diese Verschiebung des Gleichgewichts zwischen sauerstoffarmen Blut und sauerstoffreichem Blut im aktivierten Hirnareal kann mit einem Magnetresonanztomographen gemessen werden (=BOLD Signal).

6. Ablauf einer (f)MRI-Untersuchung Für die Untersuchung werden Versuchspersonen auf einem Untersuchungstisch so bequem wie möglich gelagert und anschliessend in das röhrenförmige Untersuchungsgerät eingefahren.

7. Ablauf einer (f)MRI-Untersuchung Die Versuchsperson darf sich im Messgerät während der ganzen Messzeit nicht bewegen.

8. Ablauf einer (f)MRI-Untersuchung Die funktionelle Magnetresonanz arbeitet mit starken Magnetfeldern. Wenn man diesem starken Magnetfeld ausgesetzt ist, werden die Drehachsen der Wasserstoffatomkerne (zu vergleichen mit Kompassnadeln) die im Körpergewebe bzw. im Gehirn überall vorhanden sind, vertikal ausgerichtet (parallel zur Längsachse des Magnetfeldes).

9. Ablauf einer (f)MRI-Untersuchung Mit einem speziellen Radioimpuls werden anschliessend die vom Magnetfeld ausgerichteten Wasserstoffatomkerne gestört. Nach diesem Störpuls schwenken die Drehachsen wieder in ihre ursprüngliche Position zurück. Dabei entsteht ein Signal, das mit MRI aufgenommen werden kann. Jede Gewebeart hat einen charakteristischen Signal.

10. Ablauf einer (f)MRI-Untersuchung Das Resultat ist ein sehr präzises Bild vom Gehirn. Rechts sehen sie das Resultat einer fMRI Studie mit Aktivität im bilateralen Frontalcortex.

11. Vor- und Nachteile einer fMRI-Untersuchung Funktionelle Magnetresonanz macht Aufnahmen von Hirnaktivität mit hoher räumlicher Auflösung im Millimeterbereich, die zeitliche Auflösung aber nur im Sekundenbereich. Daher ist diese Technik nicht geeignet um die Veränderung schneller kognitive Prozesse zu verfolgen die sich innerhalb von wenigen hundert Millisekunden vollziehen, sondern eher für die Messung der Gehirnaktivität in relativ lange Phasen kognitiver Aktivität. fMRI ist in der Lage Gehirnregionen zu lokalisieren, die zum Beispiel beim Lesen oder Rechnen aktiv sind, nicht aber die dynamische Prozesse die während dieser Aktivität ablaufen. Das liegt nicht an der Messmethode, sondern daran, dass der BOLD-Signal sehr träge ist.

12. EEG Bei allen Aktivitäten des Gehirns, z.B beim Sprechen, Rechnen oder Zuhören, entstehen bioelektrische Ströme. Die Elektroenzephalographie (EEG) kann mittels Oberflächenelektroden auf der Schädeloberfläche die elektrische Aktivität messen. Grundlage für die an der Schädeloberfläche messbaren elektrischen Signalen (Hirnströme) ist die Aktivierungen von Neuronenverbänden – d.h. einer grossen Anzahl Neuronen die gleichzeitig bzw. synchron feuern.

13. EEG Bei EEG-Untersuchungen werden Elektroden mit Hilfe einer leitfähigen Paste auf den Kopf positioniert. Die erfassten Hirnströme (Spannungsunterschiede zwischen zwei Elektroden oder zwischen einer Elektrode und einer Referenz) werden elektronisch verstärkt und in digitalisierter Form gespeichert.

14. EKP Evozierte bzw. ereigniskorrelierte Potentiale (EKP) werden Hirnströme genannt, die nach Ereignissen wie sensorische Reize oder kognitive Vorgänge auftreten (daher ‚ereigniskorreliert‘). EKPs (1-40 µV) sind sehr viel kleiner als das EEG (50–100 µV) und sind daher vom EEG überlagert.

15. Haus EKP Um die evozierte Aktivität darstellen zu können, verwendet man die Mittelungstechnik. Das EEG gilt dabei als Störsignal, das von dem Reiz unabhängig ist, während das interessierende evozierte Potential zeitlich an den Reiz gekoppelt ist. Es besitzt nach jeder Reizdarbietung den gleichen Verlauf. Durch die wiederholte Darbietung eines Reizes und die Mittelung des nachfolgenden EEG-Abschnitt, strebt die reizunabhängige Aktivität (EEG; braun) gegen Null, während das reizbezogene Aktivität (EKG; blau) immer deutlicher wird.

16. EKP Zur besseren Interpretation der Daten, werden die EKPs in Form von topographische Karten über Zeit dargestellt. Die EKPs sind nicht zwangsläufig den darunter liegenden Gehirnregionen zuordenbar, aber unterschiedliche Karten zeigen, dass unterschiedliche Neuronenverbände beteiligt waren.

17. Vor- und Nachteile einer EEG-Untersuchung DasEEG liefert eine hohe zeitliche Auflösung im Millisekundenbereich und kann daher dynamische kognitive Prozesse im Millisekundenbereich abbilden. Aber im Gegensatz zur Magnetresonanz ist die räumliche Auflösung nur im Zentimeterbereich.

18. Räumliche Auflösung EKP: Hirnelektrische Antwort auf Stimulus im Zentimeterbereich (cm) fMRI: Hemodynamische Antwort auf Stimulus im Millimeterbereich (mm) EKP fMRI

19. Zeitliche Auflösung EKP: Hirnelektrische Antwort auf Stimulus im Millisekundenbereich (msec) fMRI: Hemodynamische Antwort auf Stimulus im Sekundenbereich (sec) EKP Sek fMRI Sek

20. Frage: Inwieweit lassen sich neurobiologische Messverfahren für die Pädagogik einsetzten? Lernprozesse sind meistens sehr komplex und können in ihrer Komplexität von den heutigen neurobiologischen Messverfahren nicht ganzheitlich erfasst werden. Sinnstiftendes, verstehendes Lernen braucht Zeit, daher ist dieser Prozess der Beobachtung nicht zugänglich. Methoden & Techniken der kognitiven Neurowissenschaften sind jedoch grösstenteils relativ neu und finden sich noch in der Entwicklung.

21. Wissen über das Lernen haben wir vor allem den Erkenntnissen der kognitiven Psychologie zu verdanken. Die kognitiven Neurowissenschaften können dazu beitragen die Grundlage dieses Wissen besser zu verstehen und zu „verfeinern“. Wir wissen z.B. von der kognitiven Psychologie, dass es verschiedene menschlichen Lernsysteme gibt, z.B. explizites und implizites Lernen (was auch in Verbindung mit Unterricht relevant ist). Neurobiologische Messverfahren konnten zeigen, dass bei beiden Lernarten unterschiedliche neuronale Schaltkreise aktiviert werden. Diese Information kann dann dazu benutzt werden um Experimente der kognitiven Psychologie präziser zu gestalten.

22. FILM (15min): Bilder des lebendigen Geistes von Manfred Spitzer - Kurze Geschichte der bildgebenden Verfahren - Auswertungsmethode der bildgebenden Verfahren Aus der TV-Reihe: Geist & Gehirn. Die DVDs mit 52 Folgen finden sie ab nächster Montag in der Studienbibliothek